基于次声波相控矩形阵列法的聚束定向技术研究*

饶广然 蒋心怡

(海军工程大学电气系1) 武汉 430033)(92619部队2) 广州 510290)

1 引言

次声波是不可闻的声波,频率低于20Hz。研究表明:次声波的频率与人体某些器官的固有频率很接近,一旦产生共振,会使人心理烦躁、头痛、惶恐不安,甚至呼吸困难、内脏器官受损而致死;次声还具有极强的穿透性。因此,其在武器方面的应用引起国外武器专家的兴趣[1～2]。作为武器,要求次声波具有一定的方向性和一定的能量。本文采用了相控阵方式,对次声波进行了聚束定向仿真研究。

2 次声波矩形阵列法

2.1 次声波矩形阵列法聚束

如图1所示,在XY坐标面上,共有M×N个次声元,阵元间距分别为dx、dy,任意空间向量OP与正Z轴夹角为θ,在XY面上的投影与正X轴夹角为φ,在目标点P沿OP指向性函数为

阵列参数M 、N 、dx、dy对波束的影响

当阵列参数 M、N 、dx、dy确定后,次声阵列指向性仅与目标方向(θ,φ)有关,如图2为 M=N=50,dx=dy=4m 时的波形 。由式(1),当D(θ,φ)=0时可求得波瓣与坐标轴交点值θ0+及θ0-,主波瓣宽[3]Δ θ=θ0+-θ0-,得 :

因此 ,Δ θ仅与M 、N 和 dx、dy有关。设阵列为方阵,λ=17m,分别讨论阵参数与波瓣的关系:

1)当阵元间距不变,改变阵元数时波瓣的变化

设阵元间距d=4m,增大阵元数L,由图3(a)和图4(a)可知,主波瓣减小,旁瓣数增多,旁瓣级降低。

2)当阵元数不变,改变阵元间距时波瓣的变化

设阵元数L=50,增大阵元间距d,如图3(b)和图4(b)示,主波瓣减小,旁瓣数增多,旁瓣级降低。

图3 Δ θ随L、d变化的关系图

3)阵元数与阵元间距之积为恒值时波瓣的变化

阵元数L与阵元间距d乘积不变时,即平面阵面积恒定,主波瓣宽度不变,旁瓣电平随间距的减小而减小(由图4(c)局部放大处可知)。

2.2 次声波相位控制阵列法定向

对空间任意方向欲使声波辐射能量达最大,则必须对各阵元使用相位控制进行移相,补偿由目标位置到各个阵元波程差引起的空间相位差,即分别控制各声源的相位延迟角[4～5],使阵内各波束的移相相位差δik等于空间相位差γik。当波束传播到达同向波前(如图5示),相对于同向波前等效为同相位波。此时,指向性函数为

根据目标探测器测得目标方位(θ,φ),可计算出 X 、Y 轴向的阵内移相角δ x,δ y为:

由波控系统分别控制各阵元激励信号的相位延迟角 δik(=idx+kδy,第(i,k)个相对于第(0,0)个阵元的移相角),在目标点实现精确定向[6],如图6所示。

图4 阵元数、间距与指向性关系

3 结语

次声波由于波长较长,单个声源口径尺寸与波长相比太小,因此,不具有指向性。把多个声元排成阵列,相当于增大声源口径尺寸,可对波束汇聚成束。实时控制阵列内各次声单元的移相相位差,就能对目标精确定向。波束的宽窄与旁瓣大小受阵列参数M、N、dx、dy的影响;能否精确定向受相位控制的制约。

[1]Gerry Vassilstos.Gavereau's Infrasound Weapon[EB/OL].http://www.borderlands.com/newstuff/reseach

[2]Christopher Stubbs.Tactial Infrasound[R].The MITRE Corporation JASON Program Office,USA,2005,5:43～56

[3]郭业才,赵俊渭,郭燚.组合圆形活塞声源远场指向特性的仿真研究[J].系统仿真学报,2002(4):522～524

[4]吕大鑫.舰载相控阵雷达波控技术研究实现[D].哈尔滨工程大学,2007,1:16～18

[5]肖峰.现场可控非致命的次声武器研究[J].兵工学报,2002,23(3):427～429

[6]常硕,王德功,李圭源.相控阵雷达天线方向图仿真研究[J].中国雷达,2008(1):35～37